大跨度鋼桁梁廊道橋頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

張利民

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710016)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,越來越多的大跨度鋼桁梁橋應(yīng)用于跨江、跨河工程建設(shè)中。頂推法施工工藝因具有跨越障礙能力強(qiáng)、施工機(jī)具設(shè)備簡單、無需大量起吊設(shè)備、可不中斷交通或通航、安全性較高、施工質(zhì)量能夠保證等優(yōu)點(diǎn),得到了較廣泛的應(yīng)用[1]。國內(nèi)外諸多專家對頂推法施工工藝進(jìn)行了研究:鄭超[2]對既有鐵路鋼箱梁橋的頂推關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究;賀紅星等[3]針對雙層鋼桁梁橋提出了節(jié)點(diǎn)跟隨式步履頂推施工方法,即在步履式頂推設(shè)備外設(shè)置移動(dòng)轉(zhuǎn)換柱,利用移動(dòng)轉(zhuǎn)換柱與鋼桁梁節(jié)點(diǎn)步履式前移;趙越[4]針對鋼混結(jié)合梁步履式頂推施工技術(shù)進(jìn)行了研究;張宏武[5]針對跨越既有鐵路線鋼桁架橋頂推滑移快速施工技術(shù)進(jìn)行了研究;陳偉等[6]針對槽鋼梁,對同步多點(diǎn)步履式頂推施工控制技術(shù)進(jìn)行了分析;舒彬等[7]針對重載鐵路大跨度鋼桁梁橋,分析研究了頂推施工的最優(yōu)荷載組合和施工監(jiān)測技術(shù)。上述研究均針對設(shè)置橋面系的鋼結(jié)構(gòu)公鐵橋梁等頂推施工技術(shù)開展,對于不設(shè)置一般意義上橋面系的大跨度鋼桁梁廊道橋結(jié)構(gòu)頂推施工技術(shù)的研究還不夠深入。

鑒于此,本文以齊齊哈爾熱網(wǎng)跨嫩江廊道橋?yàn)橐劳泄こ?研究了大跨度鋼桁梁廊道橋頂推施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

齊齊哈爾供熱管網(wǎng)項(xiàng)目采用40 m+2×(3×65)m+4×40 m+3×40 m下承式鋼桁梁作為跨越嫩江的供熱管道廊道橋,全橋共5聯(lián)14跨,主橋?yàn)?聯(lián)3×65 m的連續(xù)鋼桁梁,其他為引橋。全部主桁采用華倫式三角形腹桿帶豎桿體系。

主橋上、下弦桿采用箱形截面,豎桿和斜腹桿部分加強(qiáng)桿件采用箱形截面,其余采用工字形截面。主桁節(jié)點(diǎn)為整體式節(jié)點(diǎn),工字形豎腹桿和斜腹桿采用插入方式連接,箱形桿件采用對接方式連接。桿件由工廠制造,運(yùn)至工地現(xiàn)場采用高強(qiáng)螺栓拼接。引橋的桿件均為工字形截面,主桁節(jié)點(diǎn)板采用整體式,各桿件均采用對拼連接。本橋不設(shè)置一般意義上的橋面系,管道支架與經(jīng)過加強(qiáng)的橫撐相連接。下平縱聯(lián)的橫撐兼作橫梁,提供對管道及檢修通道的支撐。

1.2 鋼桁梁架設(shè)方案

考慮河道現(xiàn)場踏勘結(jié)果和鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),該廊道橋鋼桁梁可采用步履式多點(diǎn)同步頂推方案、下導(dǎo)梁滑移方案、桅桿吊懸拼方案、浮拖架設(shè)方案、冬季冰上吊裝和滑移方案進(jìn)行架設(shè)[8]。綜合考慮施工方案的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期等因素,確定采用岸邊支架組拼加步履式多點(diǎn)同步頂推方案進(jìn)行施工。

1.3 頂推施工難點(diǎn)

1)跨越的嫩江為Ⅰ級通航航道,受河道通航和行洪的限制,一般不允許在主河道和泄洪河道內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支墩。

2)熱網(wǎng)廊道橋跨越嫩江,共5聯(lián)14跨,分別從兩岸各頂推7跨,在江中65 m和40 m跨交接處合龍,頂推跨數(shù)多、距離長,同步性難度大。

3)傳統(tǒng)步履式頂推施工一般適用于箱梁結(jié)構(gòu)[9-10],但該廊道橋?yàn)槌休d熱力管網(wǎng)和檢修平臺(tái)的桿件式鋼桁梁結(jié)構(gòu)。頂推過程中,受步履式頂推每一步行程短的限制,頂推支點(diǎn)不可避免會(huì)支撐于下弦桿非節(jié)點(diǎn)處,導(dǎo)致下弦桿同時(shí)承受彎矩及剪力,易造成桿件壓彎變形等問題。

2 鋼桁梁頂推施工

2.1 頂推方案

廊道橋1～14號墩區(qū)域位于江中,水位較深、水流湍急。東岸1號墩之前和西岸14號墩之后的河床地勢較高、地形平坦開闊、通行條件好,處于非行洪通道區(qū),在此布置組拼區(qū)域,搭設(shè)組拼支架平臺(tái)。7～8號墩引橋區(qū)可設(shè)置一處臨時(shí)支墩,為減少水中作業(yè),避免對河道的干擾,保證鋼桁梁現(xiàn)場組拼、焊接的質(zhì)量,確定東西岸邊分別組拼、分別頂推7跨的方案。

主橋(富拉爾基側(cè))鋼桁梁增加前導(dǎo)梁進(jìn)行頂推,引橋(齊齊哈爾側(cè))不用前導(dǎo)梁直接頂推,并對主橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加固。主橋2×(3×65)m鋼桁梁在1號墩之前的組拼區(qū)域首輪拼裝104 m后,整體向前頂推65 m,然后繼續(xù)組拼65 m、再頂推一次(約65 m),以后重復(fù)整孔組拼頂推,直到鋼梁就位;引橋3×40 m+4×40 m鋼桁梁在14號墩之后組拼區(qū)域首輪拼裝完成64 m后,整體向前頂推40 m,然后繼續(xù)組拼40 m、再頂推一次(約40 m),以后重復(fù)整孔組拼頂推,直到鋼梁就位。具體頂推過程如圖1所示。

圖1 頂推過程Fig.1 Pushing process

頂推滑移系統(tǒng)設(shè)置在1～14號墩上方墊石位置及臨時(shí)頂推支架頂分配梁上,頂推設(shè)備高度700 mm,換手支墊高度740 mm。頂推裝置直接擺放在永久墩墊石頂面,支座待鋼桁梁頂推就位后、落梁時(shí)安裝。1套步履式頂推裝置主要由1臺(tái)豎向千斤頂(200 t)、1臺(tái)水平頂推千斤頂(100 t)、1臺(tái)糾偏頂推千斤頂(65 t)、滑移支座、滑板及滑道組成。步履式自動(dòng)化頂推設(shè)備除機(jī)械系統(tǒng)外,還有液壓系統(tǒng)、自動(dòng)智能電控系統(tǒng)組成。全橋共需頂推滑移系統(tǒng)38套,其中臨時(shí)支架和臨時(shí)支墩需要8套,永久橋墩需要30套,具體如圖1b,1d所示。

2.2 頂推施工全過程模擬

采用MIDAS/Civil有限元軟件進(jìn)行鋼桁梁頂推施工方案計(jì)算,通過對各安裝步驟的模擬來計(jì)算鋼桁梁頂推過程中構(gòu)件的內(nèi)力及變形,在計(jì)算過程中未考慮由于施工支架變形引起的變化。

本節(jié)僅介紹主橋65 m鋼桁梁頂推施工過程模擬。主橋?yàn)?聯(lián)3×65 m下承式連續(xù)鋼桁梁橋。主橋鋼桁梁分6次拼裝頂推將鋼桁梁頂推至設(shè)計(jì)位置。使用材料為Q355NE鋼材,其抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取295 MPa。主橋65 m鋼桁梁頂推施工計(jì)算過程主要考慮鋼桁梁和鋼導(dǎo)梁的自重,考慮節(jié)點(diǎn)板螺栓等質(zhì)量等及結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),自重系數(shù)取1.2。第6次拼裝完成后的鋼桁梁計(jì)算模型如圖2a所示。

圖2 計(jì)算結(jié)果云圖Fig.2 Calculation results cloud map

通過計(jì)算分析,不同的頂推階段,鋼導(dǎo)梁和鋼桁梁的位移不同,最大懸臂狀態(tài)時(shí)(前端最大懸臂65 m)的鋼導(dǎo)梁豎向位移最大。在各施工階段中,當(dāng)導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí),出現(xiàn)最大拉應(yīng)力,當(dāng)導(dǎo)梁頂推至橋墩時(shí),出現(xiàn)最大壓應(yīng)力。鋼桁梁處于頂推最大懸臂狀態(tài)或?qū)Я喉斖浦翗蚨諘r(shí),鋼桁梁也出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

考慮篇幅有限,僅于表1和圖2中列出65 m鋼桁梁施工階段最大位移、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及部分結(jié)果云圖。由表1可知:鋼導(dǎo)梁最大豎向撓度出現(xiàn)在第1次頂推最大懸臂狀態(tài)(前端最大懸臂65 m)時(shí),最大豎向撓度為141.725 mm。鋼導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力為122.1 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在第1次向前頂推,導(dǎo)梁超出2號墩懸臂36 m時(shí)。鋼導(dǎo)梁最大壓應(yīng)力為145.3 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在鋼導(dǎo)梁落至2號墩上時(shí)。由上述內(nèi)容可知,鋼導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均未超出材料設(shè)計(jì)值,滿足規(guī)范要求。鋼桁梁最大豎向撓度在整個(gè)頂推過程中變化較小,最大豎向撓度為-35.515 mm,出現(xiàn)在第1次向前頂推,導(dǎo)梁超出2號墩懸臂19.2 m時(shí)。鋼桁梁最大拉應(yīng)力為61.9 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在第2次頂推至最大懸臂狀態(tài)(前端最大懸臂65 m)時(shí)。鋼桁梁最大壓應(yīng)力為67.0 MPa<295 MPa,出現(xiàn)在第3次開始頂推3 m(懸臂46.5 m)時(shí)。由上述內(nèi)容可知,鋼桁梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均未超出材料設(shè)計(jì)值,滿足規(guī)范要求。

表1 施工階段最大位移及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of maximum displacement and stress in construction phase

臨時(shí)墩墩頂反力最大值為701.3 kN,出現(xiàn)在第2次拼裝完開始頂推時(shí),各施工階段拼裝完開始頂推時(shí),臨時(shí)墩墩頂反力相差較小;臨時(shí)墩水平方向變形最大為8.012 mm,豎直方向最大變形為-1.492 mm,最大正應(yīng)力為64.4 MPa(見圖3),未超出材料設(shè)計(jì)值,滿足規(guī)范要求。

圖3 65m鋼桁梁橋墩應(yīng)力(單位:MPa)Fig.3 Stress of 65m steel truss bridge pier(unit:MPa)

3 頂推施工控制要點(diǎn)和施工監(jiān)控

3.1 頂推同步性和精度控制

頂推過程中同步控制為工程難點(diǎn),不同步頂推,一方面會(huì)造成橋梁軸線偏位,另一方面可能會(huì)導(dǎo)致梁體局部受力,對整體橋梁結(jié)構(gòu)造成影響。隨著逐孔頂進(jìn)的進(jìn)行,跨數(shù)逐漸增多,直至達(dá)到7孔,頂推過程千斤頂數(shù)量逐步增加,同步性難度將加大,步履式頂推器配置了液壓PLC電控自動(dòng)智能化系統(tǒng),利用上位機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各千斤頂同步接收指令,同步開始前進(jìn)、頂升、下降、后退動(dòng)作,位移傳感器和壓力傳感器采集各千斤頂?shù)膲毫臀灰屏?配置特殊程序保證完成各千斤頂動(dòng)作的同步精度不超過允許誤差。加強(qiáng)油管的檢查和各千斤頂處滑道的潤滑檢查,同時(shí)觀察多臺(tái)千斤頂油壓表的數(shù)值,隨時(shí)進(jìn)行縱移、標(biāo)高和中線的調(diào)整,使之順利推進(jìn)。

3.2 頂推支反力的控制

根據(jù)鋼桁梁頂推過程工況分析,按保持鋼桁梁水平狀態(tài)計(jì)算出各千斤頂支反力數(shù)據(jù),換算成油壓表壓力,嚴(yán)格控制支反力的最大限值,防止千斤頂?shù)牟痪馐芰?造成某一位置受力過大出現(xiàn)桿件壓彎的現(xiàn)象,并在頂升千斤頂上加設(shè)鋼墊梁,將下弦桿承受的單點(diǎn)支反力簡化為局部荷載均勻作用到下弦桿上,起到有效的保護(hù)作用。實(shí)時(shí)觀察監(jiān)控油壓變化幅度,以20%的變化幅度為限,動(dòng)態(tài)調(diào)整千斤頂?shù)捻斄透叱?避免發(fā)生個(gè)別千斤頂頂力過大,繼而出現(xiàn)高程偏差過大造成桿件變形的情況。

3.3 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測和糾偏

通過位移、壓力傳感器實(shí)時(shí)采集鋼桁梁下?lián)隙群椭芯€偏移數(shù)據(jù),下?lián)隙扰c理論值比較偏大時(shí)需要暫停頂進(jìn)施工,觀察桿件變形情況和監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù),確保沒有異常情況時(shí)再繼續(xù)頂推施工。發(fā)現(xiàn)中線偏移過大時(shí),停止頂進(jìn)施工,啟動(dòng)糾偏千斤頂進(jìn)行中線位移糾偏,中線調(diào)整好后再行頂進(jìn)施工。3×65 m主鋼桁梁頂推過程應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測實(shí)例如圖4所示,由圖4可知,8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變值均未超過限值101.46με。

圖4 主鋼桁梁頂推過程應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測Fig.4 Stress-strain monitoring of main steel girder during jacking

本橋鋼桁梁組拼支架采用臨時(shí)鋼管柱,處于承受載荷較大、自由長度較大的工況環(huán)境,是鋼桁梁架設(shè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在架設(shè)過程中,除加強(qiáng)支架的沉降觀測外,由于受溫度、風(fēng)荷載、重力及偏心等因素變化影響,支架的受力復(fù)雜,做好水平位移觀測也很關(guān)鍵。

4 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,提出齊齊哈爾熱網(wǎng)跨嫩江廊道橋岸邊支架組拼加步履式多點(diǎn)同步頂推方案。利用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型,模擬計(jì)算施工過程中不利工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形情況。過程采用自動(dòng)化步履式頂推設(shè)備,液壓PLC同步電控系統(tǒng)嚴(yán)控支反力和同步性,實(shí)時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測保證結(jié)構(gòu)安全。研究內(nèi)容可為今后類似跨江、跨河大跨度鋼桁梁施工提供借鑒與參考。